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Les communications spatiales avec Mars Le réseau du Deep Space (II)
Les antennes du DSN sont semblables aux paraboles des radiotélescopes : DSS 13 mesure 34 m de diamètre et DSS 14 mesure 70 m de diamètre[1]. Ces dimensions sont nécessaires pour communiquer avec les dizaines de sondes spatiales situées à des centaines de millions de kilomètres de la Terre et dont les signaux sont très faibles; plus l'antenne est grande, plus le signal est fort et plus la quantité de données que l'antenne peut envoyer et recevoir est importante. De leur côté chaque sonde spatiale, qu'il s'agisse d'un orbiter ou d'un lander, dispose de plusieurs antennes utilisées lors des différentes phases de la mission ainsi que pour communiquer dans différentes directions et avec d'autres sondes spatiales à différents débits. A consulter : Images de Goldstone Capacités des antennes Grâce à la technologie du guide d'onde (Beam Wave Guide) utilisée sur l'antenne DSS 13 dès 1998 et sur la DSS 14 en 2003 et l'utilisation de composants à faibles pertes (préamplificateurs, amplificateurs, récepteurs et filtres), le réseau du DSN a pu utiliser de plus hautes fréquences et est aujourd'hui capable d'opérer sur plusieurs bandes micro-ondes. Il peut ainsi travailler en interférométrie VLBI, poursuivre les sondes spatiales avec une très haute précision et transférer de grands volumes de données à haut débit (plusieurs MB/sec sur la bande Ka). Les antennes DSS travaillent dans les bandes suivantes : - Bande S/X à 2.3/8 GHz : récepteur interférométrique à très longue base (VLBI) et double fréquence, polarisation circulaire à gauche ou à droite (LCP ou RCP). - Bande X à 8 GHz : récepteur standard du DSN en polarisation RCP. Les mêmes fréquences uplink et downlink que la précédente - Bande X à 13.8 GHz : principalement utilisée durant la mission Cassini-Jupiter (JMOC), elle est adaptée à la fréquence des instruments radios embarqués à bord de la sonde spatiale Cassini-Hygens - Bande K à 22 GHz : radar monopulse, polarisation RPC, pointage de précision des sondes spatiales - Bande Ka à 32 GHz : récepteur à faible bruit à bande large - Bande Ka à 34 GHz : récepteur maser Zeeman refroidit par maser hélium liquide, double polarisation simultanée RCP/LCP. - Bande Q à 43 GHz : récepteur de recherche et de développement, transistors cryogéniques HEMT, double polarisation simultanée RCP/LCP - Bande W à 90 GHz : récepteur en cours de développement pour le futur VLBI spatial (par ex. ARISE) et les observations astronomiques au sol. L'antenne DSS 13 maintient une modeste puissance de transmission de 20 kW en uplink dans la bande X et de 80W dans la bande Ka à 34 GHz. Les fréquences intermédiaires (FI) transitent à travers le piédestal de l'antenne par un commutateur matriciel 16x4 et dont transmises par fibres optiques à la salle de commande. Ces signaux sont alors distribués à un certain nombre de systèmes : - un radiomètre de précision à double voie - un enregistreur spectral (FSR) - un downconverter radar - un analyseur de spectre à large bande (WBSA) - un terminal VLBI Mk IV d'acquisition de données (MkIV DAT) complété par un corrélateur temps réel.
La fréquence est-elle occupée ? A l'image des activités radioamateurs où il arrive que la fréquence que l'on désire utiliser soit occupée par un autre amateur, les canaux de transmissions spatiales sont également très sollicités. Le réseau DSN communique avec presque toutes les sondes spatiales explorant le système solaire. Actuellement il y a 28 sondes spatiales voyageant dans l'espace, observant Jupiter, le Soleil, les astéroïdes et les comètes, tandis que quelques autres volent au large de Saturne et aux confins du système solaire. Les antennes du DSN sont donc extrêmement occupées à essayer de poursuivre toutes ces sondes spatiales simultanément.
Pendant les phases critiques des missions tel que la rentrée atmosphérique et l'atterrissage sur Mars, plusieurs antennes terrestres ainsi que l'Orbiter MGS dépistent les signaux de la sonde spatiale en cours de manoeuvre afin de réduire au minimum le risque de perte des communications. Pendant la phase d'atterrissage, les rovers d'exploration de Mars utilisent les ressources du "Multiple Spacecraft Per Aperture" (MSPA) du DSN qui permet à une seule antenne du DSN de recevoir les signaux de downlink (lorsque les sondes renvoient leurs données vers la Terre) de deux sondes spatiales simultanément. Une rover martienne telle Opportunity peut utiliser quatre antennes différentes : une antenne UHF ou une antenna à gain faible, moyen ou élevé. Ces possibilités permettent à l'équipe chargée de mission d'envoyer directement des commandes aux rovers sans passer par l'orbiter et de récupérer des données de plusieurs manières différentes. Les sessions downlink des rovers sont généralement limitées à deux heures par période, avec un maximum de deux sessions de downlink par jour martien (sol) pour chaque rover. La technique MSPA permet seulement à une sonde spatiale à la fois de bénéficier d'un uplink (lorsque la Terre transmet des données vers les sondes). Cette session permet de transmettre les ordres aux rovers au début de chaque sol (jour martien) pendant une heure environ afin qu'elles disposent des instructions à exécuter durant la journée.
Le signal change de fréquence selon qu'il se rapproche ou s'éloigne de l'observateur ou de l'antenne. Voici deux exemples typiques d'effet Doppler sur le son d'un jet F-16 volant à basse altitude et sur des Indy cars roulant à pleine vitesse. L'amplitude de l'effet Doppler dépend de la vitesse à laquelle la source d'émission se déplace par rapport à l'observateur. Si le signal de la sonde spatiale se dirige vers l'antenne le front d'ondes est comprimé dans cette direction et se décale vers les fréquences plus élevées, les plus courtes longueurs d'ondes, on dit qu'il se décale vers le bleu (blueshift) par comparaison avec un spectre de raies. A l'inverse, lorsque la sonde s'éloigne, le signal se décale vers les basses fréquences et nous observons un décalage vers le rouge (redshift).
Les contrôleurs au sol assurant les communications avec Mars Odyssey connaissent la fréquence du signal au repos qui est émis par la sonde spatiale. Mais étant donné que la sonde se déplace dans l'espace cette fréquence subit un effet Doppler et est décalée un peu plus haut ou un peu plus bas en fréquence. Connaissant la vitesse des ondes électromagnétiques, un simple calcul permet de déterminer la vitesse de la sonde spatiale. Mesure de la distance Le "ranging" comme le dénomme les anglo-saxons permet de calculer la distance nous séparant de la sonde spatiale avec précision. Les ingénieurs envoient un code à la sonde qui le renvoie immédiatement à la Terre en utilisant sa propre antenne. Le retard entre l'envoi et la réception du code, soustraction faite du retard engendré par le traitement dans la sonde elle-même, est de deux fois le temps lumière qui nous sépare de la sonde spatiale. Ainsi, en divisant le résultat par deux et en le multipliant par la vitesse de la lumière nous pouvons calculer la distance de la station DSN à la sonde spatiale. Cette distance est précise à 5-10 m près bien que la sonde se trouve à 200 millions de kilomètre de distance ! Pour la sonde Voyager 2, au niveau de l'orbite de Pluton situé à l'époque à quelque 4.5 milliards de km, les ingénieurs avaient calculé sa trajectoire avec une précision "sur site" de 30 km, une ponctualité de 10 minutes et l'orientation de son antenne fut précise à 0.05° ! Delta DOR Le delta DOR (Differential One-way Ranging) est une mesure de distance semblable au ranging, mais il prend également en considération un troisième signal issu d'une source radio naturelle tel qu'un quasar, ce qui permet aux scientifiques et ingénieurs de localiser la sonde spatiale avec encore plus de précision. Bien que les quasars soient situés à quelques millions ou milliards d'années-lumière, depuis 1979 leur position a été précisément estimée grâce aux observations du réseau VBLI. Notons que les positions optiques estimées par le satellite astrométrique Hipparcos dépendent également des mesures de position de ces quasars. Le catalogue reprenant les positions delta DOR utilisées par le DSN est produit par le JPL et ses valeurs sont en accord avec le Cadre de Référence Céleste International (ICRF). Le Delta DOR fournit des moyens de calibration précis échelonnés toutes les dizaines de minutes les uns des autres. En soustrayant les mesures de "ranging" du delta DOR des quasars, on supprime toute une série d'erreurs qui sont présentes dans les deux systèmes de mesure et induits par l'atmosphère et l'équipement. Le "ranging" se base en fait sur la mesure de la différence de distance qui existe entre la source et deux stations terrestres (par exemple Goldstone et Madrid ou Goldstone et Canberra). A partir de cette mesure un angle peut être déterminé dans le ciel relativement aux stations. L'angle du quasar est soustrait de l'angle de la sonde spatiale, donnant la séparation angulaire entre le quasar et la sonde spatiale. Connaissant la position du premier, on connaît la position de la seconde. Cet angle est précis à environ 5-10 nanoradians (1 radian = 180°/π ou approximativement 57.29578°), ce qui signifie qu'à la distance de Mars soit environ 200 millions de kilomètres, on peut déterminer la position de la sonde spatiale à moins de 1 km. Les tonalités spéciales pendant l'entrée, la descente et l'atterrissage Pendant les phases de rentrée atmosphérique, de descente et d'atterrissage (EDL), la sonde Mars Odyssey comme toutes les autres rencontre des conditions turbulentes. Les navigateurs doivent manoeuvrer les sondes Spirit et Opportunity avec beaucoup de précautions durant ces phases critiques du vol afin qu'elles atteignent avec précision leur zone d'atterrissage respective à la surface de Mars.
Dernière partie Temps
de réponse et interférences
[1]
L'antenne DSS 14 de 70m de diamètre est la plus
grande parabole orientable jamais construite à ce jour pour les communications spatiales.
Le radiotélescope de Jodrell Bank (VA., USA) mesure bien 95.4m de diamètre,
le radiotélescope allemand de l'Effelsberg mesure bien 100m de diamètre
mais tous deux sont dédiés à la radioastronomie plutôt qu'aux
communications spatiales.
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